C++20线程可能永远等待STD：：ATOM

C++20 thread possibly waiting on std::atomic forever(C++20线程可能永远等待STD：：ATOM)

问题描述

考虑以下示例代码，其中线程A推送队列上的函数，而线程B在从队列中弹出时执行这些函数：

std::atomic<uint32_t> itemCount;

//Executed by thread A
void run(std::function<void()> function) {

    if (queue.push(std::move(function))) {
        itemCount.fetch_add(1, std::memory_order_acq_rel);
        itemCount.notify_one();
    }

}


//Executed by thread B
void threadMain(){

    std::function<void()> function;

    while(true){

        if (queue.pop(function)) {

            itemCount.fetch_sub(1, std::memory_order_acq_rel);
            function();

        }else{
            itemCount.wait(0, std::memory_order_acquire);
        }

    }

}

其中queue是一个并发队列，它有一个push和一个pop函数，每个函数都返回一个bool，指示给定的操作是否成功。因此，push如果已满则返回false，如果为空则pop返回false。

现在我想知道代码是否在所有情况下都是线程安全的。 让我们假设线程B的pop失败，并即将调用std::atomic<T>::wait。同时，线程A推送一个新元素，而线程B检查初始等待条件。由于itemCount尚未更改，因此失败。 之后，线程A立即递增计数器并尝试通知一个正在等待的线程(尽管线程B还不在内部等待)。线程B最终等待原子，导致线程再也不会唤醒，因为丢失了信号，尽管队列中有一个元素。这仅在新元素被推入队列时停止，并通知B继续执行。

我无法手动重现这种情况，因为时间几乎不可能正确。

这是一个严重的问题，还是不可能发生？有什么(最好是原子的)替代方案可以解决这种罕见的情况？

编辑： 我只想提一下，队列不是阻塞的，只使用原子操作。

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我问这个问题的原因是我不明白怎么可能实现原子wait操作。尽管标准规定整个操作是原子的(由加载+谓词检查+等待组成)，但在实现中，我使用的std::atomic<T>::wait实现大致如下：

void wait(const _TVal _Expected, const memory_order _Order = memory_order_seq_cst) const noexcept {
    _Atomic_wait_direct(this, _Atomic_reinterpret_as<long>(_Expected), _Order);
}

其中_Atomic_wait_direct定义为

template <class _Ty, class _Value_type>
void _Atomic_wait_direct(
    const _Atomic_storage<_Ty>* const _This, _Value_type _Expected_bytes, const memory_order _Order) noexcept {
    const auto _Storage_ptr = _STD addressof(_This->_Storage);
    for (;;) {
        const _Value_type _Observed_bytes = _Atomic_reinterpret_as<_Value_type>(_This->load(_Order));
        if (_Expected_bytes != _Observed_bytes) {
            return;
        }

        __std_atomic_wait_direct(_Storage_ptr, &_Expected_bytes, sizeof(_Value_type), _Atomic_wait_no_timeout);
    }
}

我们可以清楚地看到，有一个具有指定内存顺序的原子加载，以检查原子本身的状态。但是，我不明白如何将整个操作视为原子操作，因为在调用__std_atomic_wait_direct之前有一个比较。

使用条件变量，谓词本身由互斥锁保护，但原子本身在这里是如何保护的？

推荐答案

标准说明如下：

[tro.races]/4对特定原子对象M的所有修改都以某种特定的总顺序发生，称为M的修改顺序。

对原子对象M的原子等待操作的调用有资格通过对M的原子通知操作的调用取消阻止，如果X和Y在M上存在副作用，则有资格通过对M的原子通知操作的调用来取消阻止 (4.1)-观察X，
的结果后，原子等待操作被阻止 (4.2)-X在Y之前，修改顺序为M，
(4.3)-Y发生在原子通知操作调用之前。

您假设了以下方案：

1. itemCount的当前值为零，可能来自原始初始化，也可能来自上一个fetch_sub。
2. wait加载itemCount并观察0的值。
3. 另一个线程调用fetch_add和notify_one
4. wait进入阻塞状态，因为它相信现在已过时的值0。

在此场景中，M是itemCount，X是将值设置为0的旧fetch_sub(我们假设它发生在很久以前，所有线程都可以正常看到)，Y是将值更改为1的fetch_add。

标准规定，wait调用(跨越步骤2和4)实际上有资格通过步骤3的notify_one调用解除阻止。实际上：

(4.1)-wait观察itemCount == 0后被阻塞(如果没有，则问题不会出现)。
(4.2)-fetch_sub按itemCount的修改顺序fetch_add先于fetch_sub(假设fetch_sub发生在很久以前)。
(4.3)-fetch_add发生在fetch_add之前(实际上是在notify_one之前)；它们被同一线程一个接一个地调用。

因此，一致性实现必须一开始就不允许wait阻止，或者让notify_one唤醒它；它不能允许错过通知。

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本讨论中唯一出现内存顺序的地方是(4.1)，在观察到X"；的结果后，原子等待操作被阻止。也许fetch_add实际上发生在wait之前(挂钟)，但wait看不到，所以它还是被阻止了。但这对结果并不重要--或者wait观察fetch_add的结果并且根本不阻塞；或者它观察旧的fetch_subAND块的结果，但随后需要notfiy_one来唤醒它。

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